CN1322650C - 分布式连续无功发生器 - Google Patents

Abstract

分布式连续无功发生器属于电网无功补偿装置领域，其特征在于，它含有：测量电路，测量电网电压、相电流、相负荷电流和IGBT逆变桥直流电容端电压；调理电路，把上述各量进行变换后输入控制电路；控制电路根据设定的程序去控制绝缘栅双极型晶体管阵列去接入或者断开直流电容，同时补偿电网谐波电流和零序电流，它还可以快速无级差地连续吞吐无功功率，动作时间为几十毫秒，使得电网功率因数在0.99以上；它还能抑制电网电压的突然跌落。

Description

分布式连续无功发生器

技术领域

本发明属于电网无功补偿装置技术领域。

技术背景

目前的无功补偿装置和综合电能质量仪具有以下几种：

目前发电厂和输配电网分离，各自成立公司，国家电网公司必然会考虑降本节能的措施。无功补偿装置作为一种降低线路损耗，提高电压稳定性的有效设备，已经越来越广泛的应用在电网中。

以往的无功补偿装置主要以并联电容器补偿为主，它可以实现无功就地补偿，减少电网中无功流量，减少电流，达到降低线损的目的。但并联电容器补偿有以下几方面的缺陷：

(1)、 只能适用于 感性负荷场合，不能应用在容性负荷中。

(2)、中容器发生无功受到自身容量限制，只能有级差的产生无功，不能 连续补偿电网无功功率。

(3)、 不能补偿谐波电流，不能降低谐波电流带来的损耗。

(4)、 不能平衡三相有功负荷，不能改善配电变压器的使用情况。

在中国专利网(www.patent.com.cn)以无功发生器为关键字查询，可以查询到如下专利信息：

(1)、高性能的无功功率补偿电路(<公告号>1402408)

一种高性能的无功功率补偿电路，其特征是设有谐波电流阻尼电路(4)，该电路由电抗器、电容器、电阻或者由变压器、电抗器、电容器、电阻组成，谐波电流阻尼电路(4)与无功补偿器/或无功发生器(3)串接在一起，并与负载一同并接在电网电源(1)的回路中。同现有技术比较，本发明的优点是：1)能有效地抑制电网或负载与无功补偿器/或无功发生器之间可能发生的谐振；2)阻止无功补偿器/或无功发生器可能产生的谐波电流注入电网；3)工作可靠，具有良好的性能价格比。

上述发明可以抑制自身产生的谐波不扩散到电网中，但是他 不能有效地治理电网中已有 谐波成分。

(2)、一种静止无功发生器的控制装置(<公告号>1285639)

一种静止无功发生器的控制装置，包括输入转换器、存贮器、排序器、相角调节器、参考正弦电压发生器、使不等压桥直流总线电压保护稳定的脉冲宽度调节器，交点电压计算器、交点电压判别器、使各等压桥直流总线电压保持均衡的脉冲边沿选择器、桥驱动脉冲发生器，采用这种控制装置，各串联桥直流总线电压在输出电压电流快速变化时仍能基本保持平稳，从而保证输出电压波形不畸变，保证所控制的静止无功发生器正常工作。

上述发明为一种控制装置，其特点是保持直流电压的稳定性，并没有涉及整个无功发生器装置。

(3)、静态无功发生器(<审定公告号>2446706)

一种静态无功发生器，高压逆变器与负载并联，为高压逆变器提供控制信号的控制模块与高压逆变器相连，其特征在于所述高压逆变器是由不等直流电压串联全桥逆变电路构成，其中有一个直流总线电容量是其它任何一个直流总线电容量的2倍，但输出电平数可成倍增加，谐波含量大为减少。

上述发明专利特征为对逆变电路直流侧的电压控制，目标为抑制输出谐波，同样 不能治 理系统已有谐波成分。

(4)、封锁脉冲运行方式下静止无功发生器的过电压抑制装置(<公告号>1256542)

本发明涉及一种封锁脉冲运行方式下静止无功发生器的过电压抑制装置，包括多重化逆变器、绝缘栅双极型晶体管等，晶体管的漏极与电阻相接，晶体管的源极与多重化逆变器直流侧电容的负端相接，晶体管的栅极与触发电路相接，当ASVG的脉冲封锁信号产生后，立即启动IGBT的驱动电路，将电阻R并联到直流侧电容的两端，为所有逆变桥的谐波电流提供通路。本发明的抑制装置，可大幅度降低直流侧电压，保证了封锁脉冲运行方式的顺利实施。

上述发明专利特征为控制静止无功发生器发生故障、封锁脉冲后逆变桥的运行方式，目标是保护装置，并没有涉及整个装置的运行情况。

发明内容

本发明的目的是：针对以往无功补偿器的缺陷而开发的分布式连续无功发生器，可以有效的补偿 电网的无功和谐波电流，大大减小电网中的电流，稳定电压，达到降低损耗的目的；同时它还可以 消除电网中的电流谐波，起到清洁电网的效果；此外它还可以 平衡电力系统三 相的功率，实现三相变压器平衡运行，提高变压器的利用率。

为了达到以上目的，本发明采用分布式无功补偿技术，以数字信号处理芯片作为控制核心，利用高精度优化软件编程方法，综合考虑电压、无功和谐波等电量，以IGBT作为开关器件，实现连续发生或者吸收无功的功能，可以使得电网功率因数稳定地提高到0.99以上。

整个装置由测量电路、控制电路构成。测量电路由电压传感器和电流传感器以及电平转换电路构成，通过传感器与电网耦合，测量信号经过电平转换后传输给控制电路。

控制电路主要由高速数字信号处理器DSP及外围EEPROM构成，测量信号传递给DSP的采样通道，DSP对采样到的信息经过计算分析，把计算结果保存到EEPROM，并通过其PWM输出管脚把输出控制信号传递给IGBT模块的触发电路，以次来控制IGBT模块的导通和开断，实现无供补偿和谐波治理的功能。

本发明的特征在于：

它一共有三个，分别对应电网A、B、C三相，每相含有：

测量电路，它含有：

电网相电流互感器，输出相电流Is；

负荷电流互感器，输出相负荷电流IL；

电压互感器，输出相电压；

IGBT逆变桥直流侧电容的端电压互感器；

调理电路，含有：

相电流调理电路，

相负荷电流调理电路，

相电压调理电路，

IGBT逆变桥直流侧电容的端电压调理电路；

每个调理电路含有：

运算放大器：

相电流、相负荷电流的调理电路中的运算放大器，其输入端各经一个电阻分别与相电流的、相负荷电流的电流互感器输出端相连；

相电压的调理电路中的运算放大器，其输入端与相电压互感器的-3V～+3V正弦波电压信号输出端相连；

IGBT逆变桥直流侧电容的端电压调理电路中的运算放大器，其输入端与所述直流电容器端电压的电压互感器的输出端相连；

电压箝位电路，含有：

分压电路，由两个电阻串联构成，其中，一个电阻的一端与所述放大器输出端相连，另一个电阻的一端接+3.3V电压源；

箝位支路，由两个二极管同向串联构成，其中，一个二极管的正极接地，另一个二极管的负极接+3.3V电压源，所述分压支路的中点与该箝位电路中点相连；

滤波电容，一端接地，另一端是该调理电路的输出端，它经先留电阻与所述箝位电路中点相连，上述输出端的输出信号是0～3.3V的正弦波；

电网A、B、C三相共同的控制电路，它用芯片TMS320LF2407A构成，其内部自带PWM发生命令控制存储器，所述控制电路的12个脉宽调制发生命令输出端PWM1～PWM12分别与上述PWM发生命令控制存储器的相应输入端相连；所述控制电路的0～3.3V正弦电压信号输入端与上述调理电路输出端相连；

绝缘栅双极型晶体管即IGBT的触发电路，它含有：

驱动芯片EXB841，

NPN型三极管，它的集电极接上述EXB841的PWM发生命令输入端，它的栅极经限流电阻接上述PWM发生命令控制存储器输出端，它的发射极接地；

光电耦合管，它的输入端经限流电阻后接芯片EXB841的DSP的保护信号的启动控制端；它的发射极输出端接地的同时又经另一个限流电阻后与上述NPN型三极管的栅极相连，它的集电极在经三个限流电阻与+5V电压源相连的同时，又经一个反向二极管与DSP的保护信号输入端相连；

PWM信号形成电路，它是一个芯片CN302，它的一端与芯片EXB841的PWM发生命令输出端相连，它的输出信号是IGBT触发信号。

试验证明，该装置主要特点和功能描述如下：

1、快速吞吐无功

该装置可以快速无级差地连续吸收或者释放无功功率，动作时间为几十毫秒，使得电网功率因数为0.99以上。传统的电容器组投切装置由于受到放电时间的限制，不能有效的补偿快速变化的无功功率，而且电容器都是分组投切，因此它的补偿精度受到级差的限制，补偿效果不好。另外电容器只能释放无功，不能吸纳无功，因此在容性负荷场合不能达到减少电流、降低线损的目的。

2、补偿电流谐波

该装置可以补偿2～31次电流谐波，使得电源洁净，提高用户的电能质量。由于采用了瞬时电流检测理论，可以有效地检测并分离出需要补偿的电流谐波，这样就可以及时准确地发出指令，实现电流谐波补偿。

3、抑制电压闪变

电网电压在遇到大负荷开停或者遇到故障情况时会出现短暂的电压闪变，即电网电压会突然跌落，持续时间很短，只有几十到几百个毫秒。人眼很难观察到这个闪变对用电带来的影响，但是有些精密加工企业的精密设备却不能忍受这种电压闪变，每次电压闪变都可能导致生产出废品，甚至使得某些机器出现重新启动的现象。该装置动作时间为几十个毫秒，因此可以有效地抑制电网电压的闪变。

4、补偿零序电流

由于该装置采用了三相四线制结构，因此它可以补偿零序电流，提高用户的电压质量。

分布式连续无功发生器与以往的无功补偿装置如自动投切电容器组装置和SVC相比具有如下创新：

1、响应时间快

自动投切电容器组装置的响应时间需要几秒钟，这是受电容器放电时间所限制。国标规定电力电容器放电时间为3秒钟，如果放电时间太少，则电容器的剩余电荷不能放电干净，如再次投入可能会导致电容器发生过压击穿现象。

2、不会引起谐振短路

虽然该装置仍然采用并联型结构，但是它与电网之间有连接电抗器，因此不会出现并联谐振现象。

3、可以吸纳无功

该装置不仅可以应用在感性负荷场合，还可以应用在容性负荷的场合，可以提高补偿效果，降低线路损耗。

4、精准电压控制

该装置除了可以按照功率因数或者无功功率控制之外，还可以按照电压幅值来控制，确保用户获得的电压的平稳性，降低电压纹波。

5、抗干扰能力强

该装置是通过注入无功电流来实现无功补偿的，它的补偿能力不会随着电网电压下降而降低。而依靠电容器来提供无功功率的设备对电压变化非常敏感，他们的补偿容量与电网电压的平方成正比。举个例子，如果原来的系统电压为220V，装置补偿容量为100KVar，那么当系统电压将到180V的时候，装置的补偿容量只有67KVar了。

表1总结了分布式连续无功发生器与传统产品在功能和特点上的优缺点。

表1分布式连续无功发生器与传统产品的比较

比较项目	分布式连续无功发生器	TSC	SVC	PF
					动作时间	几十毫秒	几秒	几百毫秒	几十毫秒
吸收无功	可以	不可以	可以	不可以
					发生无功	可以	可以	可以	可以
无级差补偿无功	可以	不可以	可以	可以
					补偿谐波	可以	不可以	不可以	可以
抑制电压闪变	可以	不可以	不可以	不可以
					引起谐振短路	不可能	可能	可能	可能
补偿不平衡无功功率	可以	可以	可以	不可以
					实现平衡供电	可以	不可以	不可以	不可以
补偿零序电流	可以	不可以	不可以	不可以
					精准电压控制	可以	不可以	不可以	不可以
补偿容量是否受电压影响	否	是	是	否

注：

1、TSC表示电容器组投切装置，SVC表示静止无功补偿器，PF表示无源滤波装置。

附图说明

图1本发明的原理框图

图2调理电路原理图

图3控制电路原理框图

图4触发电路原理框图

图5CPU管脚图

具体实施方式

下面对其中几个关键部分进行描述。

1、测量电路

测量回路共采集10个信号，传感器传送过来的信号需要进行调理，图2是以A相电压UA为例的调理电路图，其他9个信号的调理电路完全相同，这里不再具体画出。互感器输送给测量电路的信号UA为-3V到+3V的正弦波，经过图2所示的电平转换电路输出到控制电路的信号为0～3.3V的正弦波，CPU TMS320LF2407A就可以直接采样。测量回路输出的信号分别送到CPU TMS320LF2407A的采样通道具体对应关系见下表。

表2采样信号清单

信号	图1中互感器安装位置	连接到DSP的引脚号	名字
				A相系统电流	CT1A	105	ADC03
B相系统电流	CT1B	103	ADC04
				C相系统电流	CT1C	102	ADC05
A相负荷电流	CT2A	100	ADC06
				B相负荷电流	CT2B	99	ADC07
C相负荷电流	CT2C	113	ADC08
				A相电压	PTA	112	ADC00
B相电压	PTB	110	ADC01
				C相电压	PTC	107	ADC02
电容直流电压	VDC	111	ADC09

2、控制电路

控制器电路框图如图3所示。其中采样信号通过调理电路输送到CPU(TMS320LF2407A)相应的引脚上。CPU对采样信号进行分析计算，得到电网当前的各个参数，同时根据当时设定的控制目标分析出本装置需要向电网输出的三相电流大小、相位和波形。然后利用空间矢量算法计算出4组IGBT桥的动作状态和导通时间，送到CPU内部自带的PWM发生命令控制存储器中。在下一个控制周期到来的时候，PWM波会被送到触发模块(EXB841及一些外围电路构成)，从而控制IGBT的通断。

3、IGBT触发电路

控制芯片TMS 320LF2407A发出的PWM波形不能直接驱动IGBT模块，需要另外配置驱动电路，图4就是一组IGBT模块的驱动电路，电路主要是由EXB841以及一些外围电路构成。DSP的第56脚输送A相PWM信号给触发电路，触发电路从上部CN302输出A相IGBT需要的触发信号，并同时从下面输出保护信号Protect Signal给DSP。

其外围电路中光电耦合器TLP521主要是用来隔离控制电路(弱电)和IGBT(强电)，两者之间通过光信号传递信息，没有直接电气联系，这样可以保护控制器。外围电路中功率三极管NPN8050主要是用来把控制电路送过来的触发信号放大，以便能够驱动IGBT。其它外围电路包括电阻、电容和二极管主要用于电气连接的电平配合。

在计算过程中得到的一些参数被保存在EEPROM(AT24C512)内，当需要读取的时候，工作人员可以利用接收装置连接到通信接口上，然后通过MAX232芯片与CPU交换数据。

控制器的人机接口如键盘和显示等通过远红外接口连接到CPU上，工作人员可以通过这个连接查看和更改装置的工作状态。

Claims (1)

1、分布式连续无功发生器，其特征在于，它一共有三个，分别对应电网A、B、C三相，每相含有：

测量电路，它含有：

电网相电流互感器，输出相电流Is；

负荷电流互感器，输出相负荷电流IL；

电压互感器，输出相电压；

IGBT逆变桥直流侧电容的端电压互感器；

调理电路，含有：

相电流调理电路，

相负荷电流调理电路，

相电压调理电路，

IGBT逆变桥直流侧电容的端电压调理电路；

每个调理电路含有：

运算放大器：

相电流、相负荷电流的调理电路中的运算放大器，其输入端各经一个电阻分别与相电流的、相负荷电流的电流互感器输出端相连；

相电压的调理电路中的运算放大器，其输入端与相电压互感器的-3V～+3V正弦波电压信号输出端相连；

IGBT逆变桥直流侧电容的端电压调理电路中的运算放大器，其输入端与所述直流电容器端电压的电压互感器的输出端相连；

电压箝位电路，含有：

分压电路，由两个电阻串联构成，其中，一个电阻的一端与所述放大器输出端相连，另一个电阻的一端接+3.3V电压源；

箝位支路，由两个二极管同向串联构成，其中，一个二极管的正极接地，另一个二极管的负极接+3.3V电压源，所述分压电路的中点与该箝位支路中点相连；

滤波电容，一端接地，另一端是该调理电路的输出端，它经先留电阻与所述箝位支路中点相连，上述输出端的输出信号是0～3.3V的正弦波；

电网A、B、C三相共同的控制电路，它用芯片TMS320LF2407A构成，其内部自带PWM发生命令控制存储器，所述控制电路的12个脉宽调制发生命令输出端PWM1～PWM12分别与上述PWM发生命令控制存储器的相应输入端相连；所述控制电路的0～3.3V正弦电压信号输入端与上述调理电路输出端相连；

绝缘栅双极型晶体管即IGBT的触发电路，它含有：

驱动芯片EXB841，

NPN型三极管，它的集电极接上述EXB841的PWM发生命令输入端，它的栅极经限流电阻接上述PWM发生命令控制存储器输出端，它的发射极接地；

光电耦合管，它的输入端经限流电阻后接芯片EXB841的DSP的保护信号的启动控制端；它的发射极输出端接地的同时又经另一个限流电阻后与上述NPN型三极管的栅极相连，它的集电极在经三个限流电阻与+5V电压源相连的同时，又经一个反向二极管与DSP的保护信号输入端相连；

PWM信号形成电路，它是一个芯片CN302，它的一端与芯片EXB841的PWM发生命令输出端相连，它的输出信号是IGBT触发信号。

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